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Physique · Classes prépa (CPGE) — 1ère année — TSI

Miroirs sphériques et lentilles minces

Le cours expliqué simplement, les questions que tous les élèves se posent et des exercices type examen national. Programme marocain, gratuit.

📘 Fiche de cours

L'essentiel du cours

  • Conditions de Gauss : Pour obtenir une image nette, les rayons doivent être proches de l'axe optique et peu inclinés.
  • Lentilles minces :
    • Convergentes ($f' > 0$) : font converger les rayons.
    • Divergentes ($f' < 0$) : font diverger les rayons.
  • Relations de Descartes :
    • Conjugaison : $\frac{1}{\overline{OA'}} - \frac{1}{\overline{OA}} = \frac{1}{f'}$
    • Grandissement : $\gamma = \frac{\overline{A'B'}}{\overline{AB}} = \frac{\overline{OA'}}{\overline{OA}}$
  • Miroirs sphériques :
    • Relation de conjugaison : $\frac{1}{\overline{SA'}} + \frac{1}{\overline{SA}} = \frac{2}{\overline{SC}} = \frac{1}{f}$

Méthodes à maîtriser

  1. Tracé des rayons : Utiliser les 3 rayons particuliers (passant par le centre, parallèle à l'axe, passant par le foyer).
  2. Signes algébriques : Toujours orienter l'axe optique dans le sens de propagation de la lumière.
  3. Calcul de vergence : $V = \frac{1}{f'}$. Attention à l'unité (mètres).

Exemples corrigés

  • Calcul de position : Objet à 20 cm d'une lentille de $f' = 10$ cm. $\frac{1}{\overline{OA'}} = \frac{1}{10} + \frac{1}{-20} = \frac{1}{20} \implies \overline{OA'} = 20$ cm.
  • Calcul de grandissement : $\gamma = \frac{20}{-20} = -1$. L'image est renversée et de même taille.

Erreurs fréquentes

  • Oublier le signe "moins" dans la relation de conjugaison des lentilles.
  • Convertir les distances en cm au lieu de mètres pour calculer la vergence.
  • Confondre image réelle (après la lentille) et image virtuelle (avant la lentille).

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 Miroirs sphériques et lentilles minces

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Une lentille convergente de $f' = 10$ cm donne une image réelle à 20 cm de la lentille. Où est l'objet ?

❓ Questions fréquentes

Comment savoir si une lentille est convergente ou divergente ?
  1. Une lentille convergente a un bord mince et un centre épais.
  2. Une lentille divergente a un bord épais et un centre mince.
  3. Sur un schéma, la convergente est notée avec des flèches vers l'extérieur, la divergente avec des flèches vers l'intérieur.

💡 À retenir : La distance focale $f'$ est positive pour une convergente et négative pour une divergente.

kifach n7seb l'image ila kan l'objet f l'infini ?
  1. Ila kan l'objet f l'infini, les rayons kaykounou mوازي (parallèles) l'axe optique.
  2. F had l'hala, l'image katkon exactement f la position de la focale image (F').
  3. Donc, $\overline{OA'} = f'$.

💡 À retenir : Rayons parallèles = image au foyer.

Est-ce que l'image réelle est toujours renversée ?

Oui, dans le cas d'une lentille convergente simple, si l'objet est situé au-delà du foyer objet ($OA < f$), l'image réelle obtenue est toujours renversée par rapport à l'objet.

💡 À retenir : Image réelle = renversée ; Image virtuelle = droite.

chnou hiya la relation bin l'objet et l'image f mirroir ?

Pour un miroir sphérique de sommet S et centre C, on utilise la relation de conjugaison : $\frac{1}{\overline{SA'}} + \frac{1}{\overline{SA}} = \frac{2}{\overline{SC}}$.

💡 À retenir : Le foyer est situé au milieu de [SC], donc $f = \frac{SC}{2}$.

wach l'image virtuelle katban f l'écran ?

Non, l'image virtuelle ne peut pas être projetée sur un écran car les rayons lumineux ne se croisent pas réellement après la lentille, ce sont leurs prolongements qui se croisent.

💡 À retenir : Seule l'image réelle peut être captée sur un écran.

kifach n3ref wach l'image kbira wla sghira 3la l'objet ?

Tu dois calculer la valeur absolue du grandissement $|\gamma| = |\frac{\overline{OA'}}{\overline{OA}}|$.

  1. Si $|\gamma| > 1$ : l'image est plus grande que l'objet.
  2. Si $|\gamma| < 1$ : l'image est plus petite.
  3. Si $|\gamma| = 1$ : l'image a la même taille.

💡 À retenir : Le grandissement donne le rapport des tailles.

Qu'est-ce que la vergence ?

La vergence $V$ mesure la capacité d'une lentille à faire converger ou diverger la lumière. Elle est définie par $V = \frac{1}{f'}$. Son unité est la dioptrie ($\delta$).

💡 À retenir : $V$ est en $\delta$ si $f'$ est en mètres.

Pourquoi on utilise les conditions de Gauss ?

Les conditions de Gauss permettent d'assurer le stigmatisme approché, c'est-à-dire qu'un point objet donne un point image net. Sans ces conditions, les rayons s'écartent et l'image devient floue (aberrations).

💡 À retenir : Rayons proches de l'axe et peu inclinés.

Comment tracer l'image d'un objet situé entre F et O ?
  1. Trace le rayon passant par O (il n'est pas dévié).
  2. Trace le rayon parallèle à l'axe (il passe par F').
  3. Prolonge ces deux rayons vers l'arrière de la lentille. Ils se coupent en A'.

💡 À retenir : L'image est virtuelle, droite et agrandie.

Est-ce que le centre optique dévie la lumière ?

Non, tout rayon passant par le centre optique O d'une lentille mince n'est pas dévié. C'est une propriété fondamentale pour les tracés.

💡 À retenir : Le rayon passant par O est toujours utile pour construire l'image.

C'est quoi la différence entre f et f' ?

$f$ est la distance focale objet (position du foyer objet F), et $f'$ est la distance focale image (position du foyer image F'). Pour une lentille mince dans l'air, $f = -f'$.

💡 À retenir : $f' = \overline{OF'}$.

wach l'image virtuelle katkon dima droite ?

Oui, dans le cas d'une lentille convergente, l'image virtuelle est toujours droite (non renversée) par rapport à l'objet.

💡 À retenir : Virtuelle = Droite.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Un objet AB de taille 2 cm est placé perpendiculairement à l'axe optique d'une lentille convergente de distance focale $f' = 5$ cm. L'objet est situé à 10 cm en avant de la lentille.

  1. Calculer la position de l'image $\overline{OA'}$.
  2. Calculer le grandissement $\gamma$.
  3. Déterminer la taille de l'image A'B'.
Voir la correction détaillée : inscription gratuite

Exercice 2

Une lentille divergente a une vergence $V = -5$ $\delta$. Un objet est placé à 30 cm devant la lentille.

  1. Calculer la distance focale $f'$.
  2. Déterminer la position de l'image.
  3. L'image est-elle réelle ou virtuelle ?
Voir la correction détaillée : inscription gratuite

Exercice 3

Un miroir sphérique concave a un rayon de courbure $SC = -40$ cm. Un objet est placé à 60 cm du sommet S.

  1. Calculer la distance focale $f$.
  2. Calculer la position de l'image.
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